Дашко Н.А. Курс лекций по синоптической метеорологии
Подождите немного. Документ загружается.
12. Циклоны и антициклоны умеренных широт
45
Субтропические антициклоны являются высокими – тропосфера в них тёплая.
Арктические антициклоны, являющиеся, в основном, термическими, – низкие.
Нередко высокие тёплые и малоподвижные антициклоны, развивающиеся в
средних широтах, на длительное время (порядка недели и более) создают
макромасштабные нарушения зонального переноса и отклоняет траектории подвижных
циклонов и антициклонов от западно-восточного направления. Такие антициклоны носят
название блокирующих антициклонов.
Центральные циклоны вместе с блокирующими антициклонами определяют
направление основных течений общей циркуляции в тропосфере.
Высокие и тёплые антициклоны и холодные циклоны являются, соответственно,
очагами тепла и холода в тропосфере. В районах между этими очагами создаются новые
фронтальные зоны, усиливаются контрасты температуры и снова возникают атмосферные
вихри, которые
проходят тот же цикл жизни.
12.5. Регенерация барических образований
В синоптической практике под регенерацией барических образований понимают
обычно процесс активизации циклона или антициклона после ослабления их деятельности
(вторичное углубление циклона или вторичное усиление антициклона). С точки зрения
причин процессов, которые приводят к резкой активизации барических образований
(необязательно после их затухания), под регенерацией следует понимать любое резкое
усиление углубление циклонов
и усиление антициклонов.
Дегенерация барических образований – это процесс резкого ослабления циклонов и
антициклонов.
Регенерировавшие барические образования в дальнейшем проходят тот же путь
развития, который характерен для вновь образовавшихся возмущений.
Процессы регенерации барических образований вызывают значительные
изменения давления на больших территориях.
При регенерации барических образований изменяется давление в центре:
происходит углубление
циклона и усиление антициклона. В системе регенерировавшего
циклона, например, обостряются или возникают новые атмосферные фронты,
усиливаются восходящие движения воздуха, увеличивается интенсивность процессов
облако- осадкообразования. После регенерации может резко измениться направление и
скорость поступательного движения циклонов и антициклонов.
Н.А. Дашко Курс лекций по синоптической метеорологии
12. Циклоны и антициклоны умеренных широт
46
12.5.1. Регенерация циклонов
iРегенерация циклонов (вторичное углубление циклонов) чаще всего
связана с дополнительным затоком в его систему более холодных масс
воздуха и соответствующим втягиванием сюда нового холодного фронта
Условия для регенерации старого заполняющегося циклона благоприятны, когда
адвекция холода способствует увеличению термического контраста во фронтальной зоне
(рис. 12.9). Такой процесс происходит при сближении окклюдированного
полярнофронтового циклона с арктическим фронтом. Регенерация высокого циклона
происходит, когда в его тыловую часть входят свежие холодные массы воздуха из другой
депрессии. По сравнению со свежими
холодными воздушными массами прежний
холодный воздух в циклоне является тёплым.
a)
1010
1015
1015
Н
1020
1020
1020
1020
b)
1000
1005
1010
1005
Н
1010
Рис. 12.9. Приземное барическое поле до регенерации циклона на новом фронте (а)
и после регенерации (b)
При этом в передней части окклюдированного циклона должны быть
благоприятные условия для падения давления (уменьшение циклонической кривизны
изогипс по потоку и их расходимость при значительном градиенте геопотенциала во
фронтальной зоне).
Заполняющийся циклон становится термически асимметричным, в
нём создаётся
новый тёплый сектор.
Н.А. Дашко Курс лекций по синоптической метеорологии
12. Циклоны и антициклоны умеренных широт
47
В тех случаях, когда массы холодного воздуха поступают не в тыловую, а в
переднюю часть окклюдированного циклона
регенерации не происходит.
i
Реже регенерация циклона связана с внедрением в его область масс тёплого
воздуха
iЦиклон может регенерировать при развитии на холодном фронте
заполняющегося малоподвижного циклона нового циклона
с последующим
их слиянием (либо при быстром заполнении старого центра)
Для регенерации в этом случае также необходимо вторжение масс более холодного
воздуха в тыл циклона, который возник в системе старого заполняющегося циклона и
смещается в его направлении (рис. 12.10). При этом барическое поле перестраивается так,
что старый циклон быстро заполняется, а на его месте оказывается новый,
углубляющийся циклон.
1010
Н
1005
Н
1010
Н
1005 Н
1000
Рис. 12.10. Схема регенерации при развитии нового циклона
на холодном фронте заполняющегося малоподвижного циклона
(стрелка указывает направление смещения циклона)
i
Регенерация циклона происходит при слиянии двух циклонов, причём,
здесь возможно образование возмущения, более глубокого, чем каждое из
объединившихся
Н.А. Дашко Курс лекций по синоптической метеорологии
12. Циклоны и антициклоны умеренных широт
48
iРегенерация циклона нередко имеет место также при переходе циклона с
суши на море, где трение в приземном слое атмосферы значительно меньше
Следовательно, ветер усиливается, приближается по направлению к изобарам, что
существенно уменьшает вток воздуха внутрь циклона в нижних слоях атмосферы.
Начавшееся заполнение циклона может приостановиться и даже смениться его
углублением.
Необходимо отличать регенерировавший циклон от молодого, учитывая, главным
образом, историю развития процесса. Регенерировавший циклон, как правило, имеет
значительно большую площадь распространения циклонической
циркуляции. Кроме того,
разность давлений между центром и периферией у регенерировавшего циклона нередко
бывает боле 20 мб.
При меридиональной ориентации взаимодействующих центров регенерирует
обычно южный циклон, при широтном – чаще западный. Это зависит от направления
адвекции холодного воздуха.
12.5.2. Регенерация антициклонов
iРегенерация антициклонов также происходит в случаях увеличения в его
области горизонтальных градиентов температуры и усилении ветра на
высотах
Это может осуществиться в нескольких типичных ситуациях:
•
При слиянии заключительного антициклона (антициклона, заканчивающего серию
циклонов) с малоподвижным старым антициклоном.
• При развитии нового антициклона в отроге существующего (рис. 12.11).
Оба эти процесса имеют много общего, поскольку развитие нового антициклона
происходит на фоне старого, и в обоих случаях связана с поступлением в область старого
антициклона новых порций холодного или тёплого воздуха, что приводит к увеличению
горизонтальных градиентов температуры в высотной фронтальной зоне
и возрастанию
скоростей ветра на высотах.
Процесс регенерации барических образований может повторяться многократно.
Этим и объясняется длительное существование обширных глубоких малоподвижных
циклонов (центральные циклоны) или малоподвижных областей высокого давления
(стационарные или блокирующие антициклоны) над материками и океанами.
Н.А. Дашко Курс лекций по синоптической метеорологии
12. Циклоны и антициклоны умеренных широт
49
B
Н
Н
1010
1020
1010
1025
1015
1010
1010
1015
B
B
Н
Н
1010
1020
1025
1015
1010
1015
Рис. 12.11. Схема регенерации при развитии нового антициклона в отроге старого
(новое ядро поглощает старый антициклон)
Особенно часто центральные циклоны возникают зимой над севером Атлантики и
Европы, в районе исландской депрессии, и на севере Тихого океана в районе алеутской
депрессии. Стационарные антициклоны характерны для субтропических областей. Зимой
они прослеживаются в умеренных широтах материка.
12.6. Перемещение барических образований
Барические образования у поверхности Земли в большинстве случаев
перемещаются по направлению устойчивого воздушного потока над ними на высоте
поверхности АТ
700
или АТ
500
со скоростью, пропорциональной скорости на
соответствующей поверхности, т.е. по правилу ведущего потока.
В среднем коэффициент пропорциональности между скоростью ведущего потока и
скоростью перемещения барических образований составляет 0.8 для АТ
700
и 0.6 для АТ
500
.
Но расчёты показывают, что коэффициент пропорциональности зависит от
скорости ведущего потока (табл. 12.5.1):
Таблица 12.5.1
Коэффициент пропорциональности между скоростью ведущего потока
и скоростью перемещения барических образований у поверхности Земли
Коэффициент
пропорциональности
Коэффициент
пропорциональности
Скорость
ведущего потока,
км/ч
АТ
700
АТ
500
Скорость
ведущего потока,
км/ч
АТ
700
АТ
500
< 30 1.5 1.2 45-55 0.8 0.6
30-35 1.2 1.0 55-85 0.7 0.5
35-45 1.0 0.8 85-100 0.6 0.4
Н.А. Дашко Курс лекций по синоптической метеорологии
12. Циклоны и антициклоны умеренных широт
50
Правило ведущего потока приближённо отражает картину перемещения
барических образований. Строго говоря, циклоны и антициклоны, перемещаясь в
направлении ведущего потока, нередко отклоняются от направления изогипс на
поверхности АТ
700
или АТ
500
.
Рассмотрим перемещение барического центра
Н
1
(рис. 12.11) вдоль пути L(x, y) за
время
t.
Преобразуем выражение, устанавливающее связь между средней температурой
слоя
T
m
между изобарическими поверхностями и его толщиной H
1
2
(см. гл. 3)
H
2
-H
1
=H
1
= k
2
1,2
T
m
Х
Y
L
Рис. 12.12. Перемещение барического центра вдоль пути L(x, y).
Дифференцируя данное выражение по (x, t) и (y, t), получим:
.
2,1
12
2,1
12
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
∂
∂
∂
∂
=
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
∂
∂
∂
∂
−
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
∂
∂
∂
∂
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
∂
∂
∂
∂
=
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
∂
∂
∂
∂
−
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
∂
∂
∂
∂
y
T
t
a
y
H
ty
H
t
x
T
t
k
x
H
tx
H
t
m
m
(12.5.1)
или
.
2,1
21
2,1
21
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
∂
∂
∂
∂
+
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
∂
∂
∂
∂
−=
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
∂
∂
∂
∂
−
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
∂
∂
∂
∂
+
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
∂
∂
∂
∂
−=
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
∂
∂
∂
∂
−
y
T
t
k
y
H
ty
H
t
x
T
t
k
x
H
tx
H
t
m
m
(12.5.2)
Н.А. Дашко Курс лекций по синоптической метеорологии
12. Циклоны и антициклоны умеренных широт
51
Если Н
1
– относится к барическому центру у поверхности Земли, Н
2
– к ведущему
потоку над центром, то учитывая, что в барических центрах, по условию экстремума,
∂
∂
∂
∂
H
x
H
y
==0
, что сохраняется и при перемещении барического центра со скоростью С,
тогда
d
dt
H
x
d
dt
H
y
∂
∂
∂
∂
= 0=
, раскрывая оператор
d
dt
, получим:
∂
∂
∂
∂
∂
∂
∂
∂∂
∂
∂
∂
∂
∂
∂∂
∂
∂
t
H
x
C
H
x
C
H
xy
t
H
y
C
H
xy
C
H
y
xy
xy
1
2
1
2
2
1
1
2
1
2
1
2
0
0
⎛
⎝
⎜
⎞
⎠
⎟
+
⎛
⎝
⎜
⎜
⎞
⎠
⎟
⎟
+
⎛
⎝
⎜
⎜
⎞
⎠
⎟
⎟
=
⎛
⎝
⎜
⎞
⎠
⎟
+
⎛
⎝
⎜
⎜
⎞
⎠
⎟
⎟
+
⎛
⎝
⎜
⎜
⎞
⎠
⎟
⎟
=
,
.
(12.5.3)
или
−
⎛
⎝
⎜
⎞
⎠
⎟
=
⎛
⎝
⎜
⎞
⎠
⎟
+
⎛
⎝
⎜
⎞
⎠
⎟
−
⎛
⎝
⎜
⎞
⎠
⎟
=
⎛
⎝
⎜
⎞
⎠
⎟
+
⎛
⎝
⎜
⎞
⎠
⎟
∂
∂
∂
∂
∂
∂
∂
∂∂
∂
∂
∂
∂
∂
∂∂
∂
∂
t
H
x
C
H
x
C
H
xy
t
H
y
C
H
xy
C
H
y
xy
xy
1
2
1
2
2
1
1
2
1
2
1
2
,
.
(12.5.4)
Подставив выражение из (12.5.4) для
∂
∂
∂
∂
∂
∂
∂
∂t
H
xt
H
y
1
⎛
⎝
⎜
⎞
⎠
⎟
⎛
⎝
⎜
⎞
⎠
⎟
,
1
в выражение (12.5.2),
получим
.
,
2,1
2
2
1
2
1
2
2,1
21
2
2
1
2
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
∂
∂
∂
∂
+
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
∂
∂
∂
∂
−=
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
∂
∂
+
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
∂∂
∂
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
∂
∂
∂
∂
+
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
∂
∂
∂
∂
−=
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
∂∂
∂
+
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
∂
∂
y
T
t
k
y
H
t
y
H
C
yx
H
C
x
T
t
k
x
H
tyx
H
C
x
H
C
m
yx
m
yx
(12.5.5)
Если С – скорость перемещения барического центра вдоль пути L, а С
x
и C
y
–
проекции скорости на соответствующие оси (x, y), то можем записать:
.
,
2,1
21
2,1
21
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
∂
∂
∂
∂
+
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
∂
∂
∂
∂
−=
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
∂
∂
∂
∂
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
∂
∂
∂
∂
+
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
∂
∂
∂
∂
−=
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
∂
∂
∂
∂
y
T
t
k
y
H
ty
H
L
C
x
T
t
k
x
H
tx
H
L
C
m
m
(12.5.6)
Эти два скалярные уравнения запишем в виде одного векторного (используя
соответственно единичные векторы
i и j), суммируя данные уравнения:
),()()(
2,121 m
gradT
t
kgradH
t
gradH
L
C
∂
∂
+
∂
∂
−=
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
∂
∂
Н.А. Дашко Курс лекций по синоптической метеорологии
12. Циклоны и антициклоны умеренных широт
52
векторное уравнение спроектируем на L – направление перемещения барического центра,
тогда
.
2,1
2
2
1
2
t
T
L
k
t
H
L
L
H
C
m
∂
∂
∂
∂
+
∂
∂
∂
∂
−=
∂
∂
(12.5.7)
Следовательно, перемещение барического центра у поверхности Земли
обусловлено двумя факторами:
• Распределением изменений геопотенциала на верхней (например, относительно
Земли) изобарической поверхности – на АТ
700
или АТ
500
,
• Распределением изменений средней температуры слоя между этими
поверхностями.
m
T
H
1
2
Наличие в формулах (12.5.5) члена, содержащего смешанные производные
∂
∂∂
2
1
H
xy
⎛
⎝
⎜
⎞
⎠
⎟
, указывает, что если в циклоне и антициклоне изобары резко отличаются от
круговых, это обусловливает дополнительную слагающую скорости перемещения центра,
направленную в ту же сторону, что и передняя большая полуось рассматриваемого
циклона или антициклона. Данное слагаемое сравнительно мало (а при круговых изобарах
равно нулю) и им можно пренебречь.
Проанализируем уравнение (12.5.7).
Для
случая перемещения циклона имеем
∂
∂
∂
∂
∂
∂
2
1
2
2
1
2
2
1
2
0
H
L
H
x
H
y
,
⎧
⎨
⎪
⎩
⎪
⎫
⎬
⎪
⎭
⎪
>
,
поскольку
С>0, то левая часть уравнения (12.5.7) больше нуля. Тогда правая часть
уравнения (12.5.7):
0
2,1
2
>
∂
∂
∂
∂
+
∂
∂
∂
∂
−
t
T
L
k
t
H
L
m
при
0
2,1
>
∂
∂
∂
∂
t
T
L
k
m
, и
∂
∂
∂
∂L
H
t
2
0<
.
Рассматривая изменение средней температуры слоя, можно видеть, что, циклон на
нижней поверхности (в нашем случае – уровень земной поверхности) стремится
переместиться в ту сторону, где средняя температура слоя между 2-мя поверхностями
локально повышается больше, либо, если средняя температура всюду понижается, то в
сторону, где это понижение меньше.
Н.А. Дашко Курс лекций по синоптической метеорологии
12. Циклоны и антициклоны умеренных широт
53
Помимо изменений средней температуры слоя определённую роль играет
изменение самого поля геопотенциала верхней изобарической поверхности
∂
∂
∂
∂L
H
t
2
.
Благодаря данному фактору, циклон имеет слагающую перемещения, направленную в
сторону, где локально понижается быстрее, либо если всюду повышается, то в ту
сторону, где повышение идет медленнее:
H
2
H
2
∂
∂
∂
∂L
H
t
2
0< .
iЦентр циклона перемещается в сторону усиливающейся адвекции тепла
или ослабевающей адвекции холода
iЦентр циклона перемещается туда, где геопотенциал вышележащей
поверхности понижается быстрее или повышается медленнее всего
Для случая перемещения антициклона
∂
∂
2
1
2
0
H
L
<
, поскольку С>0, то левая часть
уравнения (12.5.7) меньше нуля. Тогда правая часть уравнения (12.5.7):
0
2,1
2
<
∂
∂
∂
∂
+
∂
∂
∂
∂
−
t
T
L
k
t
H
L
m
.
Это осуществляется при:
0
2,1
<
∂
∂
∂
∂
t
T
L
k
m
, и
∂
∂
∂
∂L
H
t
2
0> .
Антициклон на нижней поверхности (в нашем случае – уровень земной
поверхности) стремится переместиться в ту сторону, где средняя температура слоя между
2-мя поверхностями локально понижается больше, либо, если средняя температура всюду
повышается, то в сторону, где это повышение меньше. Кроме того, скорость перемещения
обратно пропорциональна величине
∂
∂
2
1
2
H
L
.
iЦентр антициклона перемещается в сторону усиливающейся адвекции
холода или ослабевающей адвекции тепла
iЦентр антициклона перемещается туда, где геопотенциал вышележащей
поверхности повышается быстрее или понижается медленнее всего
Н.А. Дашко Курс лекций по синоптической метеорологии
12. Циклоны и антициклоны умеренных широт
54
iПри прочих равных условиях отклонение пути приземного барического
образоот ведущего потока будет тем больше, чем меньше барический
градиент в центральной части приземного барического образования.
Рассматривая выражение (12.5.5) в натуральной системе координат, получим
.
,
2,1
2
2
1
2
1
2,1
21
2
1
2
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
∂
∂
∂
∂
+
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
∂
∂
∂
∂
−=
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
∂
∂
+
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
∂
∂
∂
∂
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
∂
∂
∂
∂
+
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
∂
∂
∂
∂
−=
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
∂
∂
∂
∂
+
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
∂
∂
n
T
t
k
n
H
t
n
H
C
s
H
n
C
s
T
t
k
s
H
ts
H
n
C
s
H
C
m
ns
m
ns
(12.5.8)
Здесь s и n обозначают направления касательной и нормали к изогипсам
поверхности АТ
700
или АТ
500
. Величины С
s
и С
n
– касательная и нормальная
составляющие скорости перемещения барического центра.
Поскольку
∂
∂
H
s
1
=0, то можно записать
,
2,1
2
2
1
2
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
∂
∂
∂
∂
+
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
∂
∂
∂
∂
−=
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
∂
∂
t
T
s
k
t
H
s
s
H
C
m
s
(12.5.9)
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
∂
∂
∂
∂
+
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
∂
∂
∂
∂
−=
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
∂
∂
t
T
n
k
t
H
n
n
H
C
m
n 2,1
2
2
1
2
(12.5.10)
Формула (12.5.9) показывает, что касательная составляющая скорости барического
центра
С
s
, направленная вдоль изогипс вышележащей поверхности, может варьировать в
зависимости от распределения вдоль потока локальных изменений средней температуры
слоя
и локальных изменений геопотенциала , а также от степени сгущения изобар
в центральной части циклона или антициклона у поверхности Земли (
T
ср
H
2
∂
∂
2
1
2
H
s
).
Формула (12.5.10) показывает, что барический центр имеет не только слагаемую
перемещения
С
s
, но и С
n
≠0, направленную по нормали к изогипсам. Следовательно,
приземный барический центр у поверхности Земли может перемещаться под некоторым
углом к направлению изогипс поверхности
(рис. 12.13). H
2
Первое слагаемое правой части (12.5.10) описывает отклонения (вправо или влево)
пути барического образования у поверхности Земли от направления изогипс АТ
700
или
АТ
500
над его центром, обусловленное неодинаковым локальным изменением
геопотенциала на АТ
700
или АТ
500
, справа и слева от приземного барического центра, если
Н.А. Дашко Курс лекций по синоптической метеорологии